智能电动阀DCS控制系统

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0智能电动阀DCS控制系统 引言
石化罐区中原油储罐和输油管道所使用的各种控制阀不仅分散而且数量众多，主要为大口径阀门，采用气动或电动执行机构，通常是通过数据采集与监视控制系统（SCADA）或DCS直接对阀门进行控制，除了开阀、关阀和急停控制外，一般还需要将阀门开度、开关状态、远程/就地、各种报警等阀门信息引入系统。一个阀门至少有六七个以上不同类型的参数，阀门较多的场合，不仅需要大量的电缆，而且占用较多的系统I/O卡件和通道资源。通常的概念，纯监视数据可以接受通信方式来完成采集，涉及控制的参数一般不使用通信方式而采用硬接线，但近年来随着通信功能的完善及其可靠性的进一步提高，使用通信来实现对现场仪表的控制越来越多地得到了应用。某1×106m3原油罐区采用ECS-700DCS，通过与Pakscan电动阀控制单元的Modbus通信，成功实现了DCS对大量电动阀的可靠控制。
1 系统硬件设计
1.1 DCS
ECS-700DCS按照可靠性设计原则，在充分保证系统安全可靠的基础上，不仅使系统规模能充分满足大型联合生产装置的需求，还具有故障安全设计、单点在线下载、多工程师协同工作、分域管理、离线仿真调试等特点，同时融合了的现场总线技术和网络技术，支持Profibus，Modbus，FF，HART等多种标准现场总线的接入和多种第三方设备的综合集成，并且与这些第三方设备的集成均可提供接口与线路的冗余配置。采用的控制网络技术和开放性标准，高性能的微处理器和的嵌入式设计技术、软件设计技术等。DCS和多种现场总线标准共存的实际情况，有选择地介绍集散控制系统的结构、原理、软件系统、通信网络、系统组态及其工业实际应用；重点以典型的局域操作网(LON)为背景，完整介绍其核心、开发环境、现场总线产品开发以及应用实施等过程；在此基础上，介绍FF和Profibus/PROFInet现场总线技术及其应用示例。
      容错技术设计（包括控制器、I/O组件、电源、控制网络和服务器的冗余和热插拔技术）进一步提高了系统的安全性和可用性。
       将现场总线、OPC和IEC61131-3等开放性标准作为系统的核心技术设计，提供更强的开放性和系统集成性。

       基于FB-2000NS系列成熟技术的基础上，以用户为中心的设计指导思想，依据积累的设计和工程应用经验，使系统设计使用更加便捷、灵活、友好。
       FB-3000 MCS提供了更可靠、更稳定的平台，是一套适用于从小到大规模可变的控制系统，满足用户更广泛的控制需求。整条生产线共设5个现场控制站和1个远程站。整个控制系统的过程站之间以及与中控室之间的通信网络采用TCP/IP协议的环形工业以太网，通信介质选用抗干扰能力较强的光纤；远程站与现场控制站之间的通信选用Profibus-DP总线，通信介质选用DP电缆。中控室设4台操作员站及1台工程师站；水泥磨控制站因工艺需要，设2台现场操作员站。操作员站可互为冗余使用，在操作员站上可对所有信号实现显示、报警、控制、存储及打印报表等功能。工程师站则主要负责系统组态和在线调试。

1.2 电动阀控制单元
电动阀控制单元由一台主站控制器和与它相连的现场电动阀组成。主站控制器通过一条两线电流环路（总线）控制挂于环路上的多个现场控制阀，该电流环路可长达数公里。多个电动阀仅通过两条总线互联成一个环路，终接入主站控制器的只有起始和末端两总线，所有阀门信息通过两总线通信进入主站控制器，每个现场设备都具备两个方向上冗余的通信通道，这样提高了线路故障时的通信可用性。Pakscan现场控制模块可以安装RotorkIQ，IQT，AQ，Q和A系列执行器内，而通用现场控制模块可以连接其他厂家的设备，上海91视频色下载APP阀门有限公司主营阀门有：91视频看看簧色(91视频黄色网91视频看看簧色,可调式91视频看看簧色,活塞式91视频看看簧色,91视频WWW免费下载91视频看看簧色,先导式91视频看看簧色,空气91视频看看簧色,氮气91视频看看簧色,水用91视频看看簧色,自力式91视频看看簧色如泵、电磁阀、电动阀等。电动阀产品适用于各行业应用的高性能数字指示操作器，可作为各种智能调节器、DCS、PLC系统及变频器的后备手动操作器使用。完成对电动阀各种执行...
经过多年的产品升级，ZXQ系列电动阀产品适用于各行业应用的高性能数字指示操作器，可作为各种智能调节器、DCS、PLC系统及变频器的后备手动操作器使用。完成对电动阀各种执行机构和变频器的直接操作和反馈跟踪，实现自动手动/状态的无扰动，为系统的启停、故障的处理提供方便。电动阀广泛应用于电力、钢铁、石化和轻工等各行业。典型应用在与标准电流或电位器反馈的电动执行器配套使用，电动阀显示直观，操作方便。此定位器可接受来自上位仪表的DC4-20mA的调节信号和下位电动执行机构电位器的“三线”信号(或DC4-20mA的阀位反馈信号)，出“开”和“关”信号，实现对电动阀阀门开度的控制与调节。

1）回路接线
     DCS DO点接入电动阀门二次回路（控制开关）
     DCS DI点接入电动阀开关反馈各1点
（如果是调节阀，均为4~20mA电流控制，则使用AO/AI点）
2）DCS组态
     DCS相应回路组态，分配点类型，信号类型，量程范围等参数。
3）HMI组态
     画面FIX组态，制作相应画面，连接相应DCS点。

1、电动阀控制精度：0.1%-3.0%(可调);
2、电动阀可接电动执行器反馈信号：电位器500Ω-10KΩ;
3、电动阀可接收外部控制信号(DC)：4-20mA,其它输入信号出厂前定制);
4、电动阀可设定执行器正逆动作模态和输入信号中断时“中断”模态-OPEN(开)、STOP(停)、SHUT(闭);
5、电动阀可设置是否允许电子制动;
智能型电动阀控制器的介绍
6、电动阀可控硅输出：AC,600V，2;
7、电动阀输出执行器位置信号：低漂移输出4-20mADC对应执行器全闭至全开，信号*与输入隔离(光电隔离);
8、电动阀环境温度：0-70℃(可设定)，湿度：≤90%RH;
9、电动阀有超温保护功能;
10、电动阀外形尺寸参考网上描述;
11、电动阀可通过按键自由标定输入信号所对应执行器的动作区间(一般标定为电动执行器全闭、全开位置);
12、手动/自动无扰切换;
13、电动阀执行器堵转检测控制功能;
14、电动阀可设定允许改变精度或重调时间;
15、密码锁，防止误操作;
16、按输入信号和执行器转角位置进行智能步距调整定位;
17、带错误代码指示故障原因等;
18、电动阀可扩展RS485通讯功能;
19、电动阀特殊要求可以定制。

主站控制器不断采集来自现场控制模块的信息，实现读取智能阀的开度、转矩、地址、报警等数据和状态信息，隔离现场故障设备，并通过标准的ModbusRTU等协议与DCS通信，上送实时数据和设备运行状态，接受阀门控制命令，实现对现场多种智能阀门和设备的控制。为了增加可靠性，采用冗余主站控制器，与DCS的通信接口和线路也是冗余配置的。在进行通信方式控制的同时，电动阀等执行器也可以使用就地控制、硬接线远程控制及辅助输入，大大提高了控制的可靠性和配置的灵活性。

1.3 系统硬件结构
电动阀控制单元的主站控制器安装在现场机柜间的辅助机柜中，通过冗余的通信总线接入DCS的冗余串口通信模块COM741基座中，实现可靠的通信。一对冗余的通信模块有4个接口，可以通过硬件跳线配置成RS-485或RS-232通信接口，实现与多个电动阀控制单元的连接。因为ModbusRTU等协议已是广泛应用的工业标准协议，因此在各类电动阀控制单元中均得到支持，DCS种类丰富的通信模块可与各类支持这些标准协议的电动控制阀实现通信。该项目中罐区100多个常规信号则通过I/O模块直接进入DCS控制站，其中硬接线与通信点数之比为1：15。系统硬件结构如图1所示。

图1 系统硬件结构

2 系统软件设计
2.1 通信程序编制
DCS与电动阀主站控制器采用ModbusRTU协议进行通信，在DCS实现起来非常简单，不需要编制程序，仅填写简单的表格（其中大多数项选择合适的参数即可）即可完成通信配置和程序设计。然后需根据参数类型添加若干个读写命令，再扫描硬件自动生成对应的内部变量，用来存放电动阀的开停闭命令和状态参数，这样就完成了通信组态工作。该项目中DCS作为主站，采用RS-485接口，传输速率为9600bit/s，8位数据位，奇校验，1位停止位。

2.2 电动阀控制程序编制
电动阀控制单元接收并记录从两线环路传来的智能阀的地址、转矩、开度、报警等数据，根据从DCS传来的读写命令控制阀门的动作，因此控制阀门的程序是在DCS中完成的，其中包括开停闭阀门逻辑及故障判断、输出信号类型、行程时间的设置等。使用DCS提供的阀门控制功能模块Valve，即可实现对阀门的控制程序编制，使用起来相当方便，只需在用户程序中对控制模块进行引用，并对其中操作和配置参数进行初始化设置即可。同时系统还提供了Valve功能块相对应的标准阀门操作面板，可供操作员在操作站监控软件中使用。当然，若标准阀门面板不能满足要求，可以自定义所需要的操作面板。图2是阀门控制模块Valve引用的一个实例，其中Flag是阀门控制模块质量码，用来在监控软件中显示阀门的各种状态。

1、AC800F控制器主要特点
AC800F采用高性能32位RISC CPU。
系统执行方式采用多进程周期运行方式，任务运行周期及优先级可以组态（快为5ms），各任务内的程序均保证在组态的周期内执行完毕，从而满足工厂不同被控对象的控制要求。
AC800F控制器用户内存容量为8MB，系统CPU引导程序存储到闪存中，可以实现CPU软件升级。
AC800F控制器电源模件具备自诊断功能，外部供电或自身有故障时可以预先发出报警信号，同时将输出保持20ms，系统运行保护程序。
AC800F控制器配置Profibus模件，符合ProfibusDP/V1标准，同时具备Master1与Master2功能，可以与现场远程I/O及DP标准智能仪表连接，通过DP/PA耦合器与PA标准仪表连接。
系统支持配置Profibus总线冗余模件实现与现场仪表之间通信冗余。
现场过程站采用标准以态网线与操作员站及其他设备进行通信。
系统数据库为全局，所有变量及标签均可以系统范围共享。
现场总线控制器为全金属封装，支持现场导轨安装。
模件具备实时检测及远程诊断功能。

2、 S800 I/O模块主要特点
(1) 模块简介
S800 I/O可以做为本地直接I/O与控制器相连，并通过光纤总线扩展。也可以以Profibus方式相连，各个层次都可以冗余配置，包括电源冗余，通信接口冗余，I/O模块冗余。它秉承了ABB的Industrial IT工业技术。
 (2)模块特点
S800系列I/O有两种系列，紧凑型系列和标准型系列：紧凑型S800L I/O是一个优化的经济型方案，用于连接现场设备并完成测量和控制的基本功能，主要用于简单需求的应用。标准型S800 I/O用于更多的应用需求，并且支持I/O热插拔功能。这两种系列的I/O也可以在一个导轨上混合使用。S800 系列I/O具有以下特点：
1灵活性，大化地满足安装需求如小规模或大规模、户内或户外、墙面安装或地面固定；
2模块化结构，可根据用户的需求不断地进行扩展；
3节省成本，可帮助用户节省硬件、电缆、安装和维护的费用；
4高可靠性，良好的抗振性，支持热插拔功能，并具有自诊断、冗余等特点。
3、 Profibus现场总线特点
PROFIBUS是一种简单、坚固和可靠的现场总线系统，是目前*能够以标准方式应用于所有领域并贯穿整个过程链的现场总线。实现了全数字化通信，不同厂家产品互操作；实现了真正的分布式控制(分散式控制)：可以传送多个过程变量的同时可将仪表标识符和简单诊断信息一并传送，可以产生的现场仪表，多变量变送器；提高了测试精度，增强了系统的自治性。

FCS现场控制站
     大容量、功能强大的控制程序编程和I/O信号处理能力，高可靠性的设计，实现控制器、I/O单元、电源、控制网络及I/O网络的双重热备冗余和组件的热插拔维护。
     控制器采用双处理器，分别实现控制程序的Runtime环境和I/O扫描任务。主处理器采用支持windows ces.NET 4.1以上的标准嵌入式主板单元。独立的I/O扫描器支持不同的现场I/O总线。
     实时数据库
      多达数万个可通过网络存取的数据变量存贮（包括上千点的I/O信号），提供开放的数据库存取编程接口。
    IEC61131-3Runtime虚拟机
支持多达50个任务的抢占式优先级任务调度，可分配16级的优先级。任务类型分周期任务、事件响应任务和低优先级的自调度任务。周期任务的周期可达20ms，事件响应可达5ms。
    可容纳数万条IL指令的用户程序。通过开放的实时数据库编程接口，用户可C/C++语言编制定制的控制程序。
    可在线装载用户程序，可在线更新模块库和应用程序。
    支持在线断点调试、单步调试等。
    信号调理和I/O处理器的独立。支持全隔离、半隔离和非隔离的I/O信号调理类型。
    控制网络为冗余的双总线、采用100MHz的高速工业以太网，正常时以负荷分摊的方式并行工作。
    支持FCS之间的网络变量直接存取访问。

图2 阀门控制模块Valve的引用实例

2.3 监控软件制作
该项目中需要控制电动阀近200台，每台电动阀均有开阀、关阀、急停、开到位、关到位、过扭矩报警、综合报警7个信号。每一幅画面上都有大量阀门，操作界面设计的好坏将直接影响到操作效率与安全，利用DCS软件的强大功能，阀门利用颜色的变化清晰准确地呈现出了阀门的开启、闭合、行程、故障、报警等状态。若对阀门进行操作，点击阀门则会弹出阀门操作面板，来供操作员进行开停闭的阀门操作。
3 结束语
基于通信实现了DCS对大量电动阀的实时控制，使得罐区监控系统布线简洁，大大减少了电缆和DCS部件，减少了安装调试工作量和成本，关键部件和通信全环节的冗余配置又保证了系统的高可靠性；同时罐区数据直接进入DCS，既便于在中心控制室对整个罐区进行监视和控制，也为罐区数据的进一步处理和企业的信息化管理带来了方便。该罐区投用半年以来，系统运行平稳，控制方便可靠，实践证明基于通信实现DCS对大量电动阀的控制是可靠和令人满意的，对大型石化罐区及电动阀应用较多的场合具有一定的参考意义。与本产品相关论文：1150度高温蝶阀在催化裂化装置应用